CN113358151A - 一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测*** - Google Patents

一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，包括光纤光栅传感器模块，包括若干光纤光栅应变传感器和若干三维光纤光栅加速度传感器，用于关键结构参数的实时监控；光纤光栅解调仪，通过光纤光缆连接光纤光栅传感器模块，用于解调光纤光栅传感器产生的波长信号；监控主机用于通过通信网络完成对光纤光栅传感器模块的驱动、控制光纤光栅解调仪的解调以及过山车轨道监控参数的获取。本发明实现了对过山车轨道的无损、抗干扰的实时监测，具有易于安装、维护的优点。

Description

一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***
技术领域
本发明涉及过山车轨道结构检测领域，具体涉及一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***。
背景技术
过山车是大型游乐设施中的典型设备，且当前国内的过山车均没有安装可以监测其运行状态的预警***，这给过山车的安全运行带来了很大的隐患。过山车属于滑行车类大型游乐设施，主要由列车、轨道、立柱、牵引***、制动***、控制***等组成。其工作原理为：列车由链条提升到轨道最高点后，列车自动脱开链条，在重力作用下沿轨道自由滑行，最后经制动后回到站台。
随着经济的快速发展，我国大型游乐设施行业迎来了发展的高峰期。大型游乐设施行业迅速发展的同时，伴随而来的是不容忽视的安全问题。过山车轨道在运行过程中由于受到各种因素的影响，结构各部分会存在不同程度的损伤和劣化，如果这些损伤不能及时监测和维护，可能导致严重的安全事件。但目前国内外现有的测试***主要进行静态指标的测试，如安全保险装置是否健全、结构件有无裂纹、机电产品是否合格等；且侧重于对设备的子***或部件具体指标的检测和无损探伤，如过山车提升机构运行是否正常、提升链条有无损伤等。对游乐设施整体运行状态的实时监测缺少有效手段。
但是要防止这些事故的发生，仅仅只是靠相关部门和管理人员的重视是远远不能够解决问题的。通过调查研究知道过山车轨道上的损伤和劣化是导致安全事故发生的最主要的原因，但是由于生产的连续性以及从经济角度考虑，也无法实现过山车轨道整体运行状态长期实时监测。而且过于频繁和盲目地对过山车轨道进行维护保养，是不经济且不现实的，况且如果处理方法不合理，反而会使轨道损伤的更为严重，甚至是产生某些新的缺陷。所以，过山车轨道的长期实时监测，需要科学专业的方法。总而言之，能开发出一种过山车轨道监测方法是极其有用的。实时监测过山车轨道并根据监测数据对其进行安全评估，不仅能保证过山车的长周期安全工作，还可以降低***的运行维护成本。
对轨道安全评估的前提是确定结构损伤的位置，与目前检测***结构损伤的方法相比，光纤传感技术的传感***与仪器具有抗电磁干扰、便于结构内部进行无损检测、传感信息传输距离远、封装工艺简单灵活、通过复用技术实现大规模组网等突出特点，而且其波长编码特性使得其使用中不受光源功率的影响以及能在单根光纤上串联很多传感器实现准分布式测量的特点更是其他类型的传感器难以比拟的，能够克服目前常规检测方法定期检测的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，以实现对过山车轨道结构的实时、无损监测。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，所述的过山车轨道包括内轨和外轨，内轨和外轨之间连接有加劲肋，内轨和外轨与V型支撑斜杆连接固定，V型支撑斜杆下方固定于连接支座，连接支座固定于立柱，立柱通过立柱支座固定于地面；
***包括：
光纤光栅传感器模块，包括若干光纤光栅应变传感器和若干三维光纤光栅加速度传感器，设置于过山车轨道上；其中部分光纤光栅应变传感器设置于所述内轨和外轨的内侧，呈对向交替设置，用于实现轨道结构的应变状态检测；另一部分光纤光栅应变传感器设置于V行支撑斜杆的内侧的两侧，呈斜角对向设置，用于实现对V型支撑斜杆的应变状态检测；三维光纤光栅加速度传感器设置于过山车轨道拐弯处和受冲击较大区域的连接支座和立柱支座上，具体设置在连接支座顶部，位于与V型支撑斜杆连接的两个连接点之间的位置，以及立柱支座底部中心处；
光纤光栅解调仪，通过光纤光缆连接光纤光栅传感器模块，用于发出探测光入射到的光纤光栅传感器中，解调光纤光栅传感器产生的波长信号；
监控主机，设置有与光纤光栅解调仪适配的上位机软件，用于通过通信网络完成对光纤光栅传感器模块的驱动、控制光纤光栅解调仪的解调以及过山车轨道监控参数的获取。
按上述方案，所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器串联在一根传输光纤上；或者所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器并接与多根传输光纤上，从而形成分布式光纤光栅传感器网络，完成对过山车轨道的多点监测。
按上述方案，所述光纤光栅应变传感器采用裸光纤光栅；所述三维光纤光栅加速度传感器采用竖向光纤光栅加速度传感器，竖向光纤光栅加速度传感器包括封装的光纤光栅、质量块和弹性体结构。
按上述方案，所述光纤光栅应变传感器安装过程为：对过山车轨道上的光纤光栅应变传感器的安装点进行打磨，使用有机溶剂进行表面处理和清洗，使用胶水将光纤光栅应变传感器固定于该安装点。
按上述方案，所述三维光纤光栅加速度传感器底部设置有螺纹孔，三维光纤光栅加速度传感器安装过程为：使用螺栓通过三维光纤光栅加速度传感器底部的螺纹孔将三维光纤光栅加速度传感器固定于一连接块上，该连接块沿中心周向对称设置有多个螺纹孔，使用螺栓通过连接块的螺纹孔将连接块固定于一焊接块上，随后将焊接块与过山车轨道的支座焊接固定。
按上述方案，所述光纤光栅解调仪为基于可调激光器的多通道高速光纤光栅调制解调设备，该设备采用窄带可调谐光源发出探测光入射到监测区域的光纤光栅传感器中，周期性地扫描光纤光栅的反射谱或透射谱，并解调光纤光栅传感器产生的波长信号。
按上述方案，所述监控主机为工业计算机，通过网口采用UDP协议与光纤光栅解调仪进行通信。
按上述方案，该***还包括远程监控中心和扩展监控，其中：
远程监控中心，包括服务器、存储器以及防火墙，且设置有过山车轨道结构健康检测***软件，用于通过路由器和交换机与监控主机进行信息交互，进行实时监控、统计分析以及事件报警的远程云服务；
扩展监控，用于对所述服务器、存储器、交换机以及防火墙进行监控，维护远程云服务过程中的网络信息安全。
按上述方案，所述过山车轨道结构健康检测***软件内置有特征数据库，特征数据库建立过程为：
通过对过山车轨道结构建模和动力仿真分析，找到过山车轨道结构中的重要位置和对应的动力参数，通过在重要位置设置对应的传感器来获取过山车轨道在正常运行状态下和不同故障下的参数，从而建立过山车轨道运行参数的特征数据库。
按上述方案，所述过山车轨道结构健康检测***软件包括可视化模块、统计分析模块以及事件报警模块；其中可视化模块用于将接收到的传感器波长数据转化为物理量进行可视化显示；统计分析模块用于将传感器采集的历史数据进行管理，并进行统计分析，实现任意时间段传感器数据的查询；事件报警模块用于判断传感器数据是否偏离预设的阈值区间，若判断传感器数据偏离阈值区间，则将报警信息发送至管理员。
本发明的有益效果是：通过采用光纤光栅传感器对过山车轨道进行参数采集，配合光纤光栅解调仪将光纤光栅传感器产生的光信号转化为物理参量，使得采集到的参数具有高可靠性，并且便于安装，成本低；通过设置监控主机和远程监控中心实现了对过山车轨道运行情况的实时监控以及故障情况下的自动预警；通过设置的扩展监控保证了***在通信过程中的信息安全；
进一步地，建立的特征数据库为***诊断过山车轨道运行情况提供了数据依据，降低了需要人工辅助监测带来的额外成本。
附图说明
图1是本发明一实施例的监测***示意图；
图2是本发明一实施例的过山车轨道应变测点布置图；
图3是本发明一实施例的V型支撑斜杆测点布置图；
图4是本发明一实施例的连接支座振动测点布置图；
图5是本发明一实施例的立柱支座振动测点布置图。
图中：1-光纤光栅传感器模块，2-光纤光栅解调仪，3-监控主机，4-扩展监控，5-远程监控中心，6-外轨，7-内轨，8-第一光纤光栅应变传感器，9-第二光纤光栅应变传感器，10-第三光纤光栅应变传感器，11-第四光纤光栅应变传感器，12-加劲肋，13-V型支撑斜杆，14-第五光纤光栅应变传感器，15-第六光纤光栅应变传感器，16-连接支座，17-立柱，18连接点，19-第一三维光纤光栅加速度传感器，20-立柱支座，21-地脚螺栓，22-第二三维光纤光栅加速度传感器。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
参见图2、图3、图4、图5一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，所述过山车轨道结构包括内轨7和外轨6，内轨7和外轨6之间连接有加劲肋12，内轨7和外轨6与V型支撑斜杆13连接固定，V型支撑斜杆13下方固定于连接支座16，连接支座16固定于立柱17，立柱17通过立柱支座20固定于地面；
参见图1，***包括：
光纤光栅传感器模块1，包括若干光纤光栅应变传感器和若干三维光纤光栅加速度传感器，设置于过山车轨道上；其中第一光纤光栅应变传感器8、第二光纤光栅应变传感器9、第三光纤光栅应变传感器10、第四光纤光栅应变传感11设置于内轨7和外轨6的内侧，呈对向交替设置，用于实现轨道结构的应变状态检测；第五光纤光栅应变传感器14和第六光纤光栅应变传感器15设置于V行支撑斜杆13的内侧的两侧，呈斜角对向设置，用于实现对V型支撑斜杆13的应变状态检测；三维光纤光栅加速度传感器设置于过山车轨道拐弯处和受冲击较大区域的连接支座16和立柱支座20上，其中第一三维光纤光栅加速度传感器19设置在连接支座16顶部，位于与V型支撑斜杆13连接的两个连接点18之间的位置，第二三维光纤光栅加速度传感器22设置于立柱支座20底部中心处，位于四个地脚螺栓21中心；
光纤光栅解调仪2，通过光纤光缆连接光纤光栅传感器模块1，用于发出探测光入射到的光纤光栅传感器中，解调光纤光栅传感器产生的波长信号；
监控主机3，设置有与光纤光栅解调仪2适配的上位机软件，用于通过通信网络完成对光纤光栅传感器模块1的驱动、控制光纤光栅解调仪2的解调以及过山车轨道监控参数的获取；
进一步地，所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器串联在一根传输光纤上；或者所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器并接与多根传输光纤上，从而形成分布式光纤光栅传感器网络，完成对过山车轨道的多点监测。
进一步地，所述光纤光栅应变传感器采用裸光纤光栅；所述三维光纤光栅加速度传感器采用竖向光纤光栅加速度传感器，竖向光纤光栅加速度传感器包括封装的光纤光栅、质量块和弹性体结构。
进一步地，所述光纤光栅应变传感器安装过程为：对过山车轨道上的光纤光栅应变传感器的安装点进行打磨，先使用丙酮进行表面处理，随后使用酒精清洁，使用环氧树脂将光纤光栅进行两点式粘贴并通过磁力夹具控制预张力，最后使用704胶水对该光纤光栅应变传感器进行防水密封处理。
进一步地，所述三维光纤光栅加速度传感器底部设置有螺纹孔，三维光纤光栅加速度传感器安装过程为：使用螺栓通过三维光纤光栅加速度传感器底部的螺纹孔将三维光纤光栅加速度传感器固定于一连接块上，该连接块沿中心周向对称设置有多个螺纹孔，使用螺栓通过连接块的螺纹孔将连接块固定于一焊接块上，随后将焊接块与过山车轨道的支座焊接固定。
进一步地，光纤光栅解调仪2为基于可调激光器的多通道高速光纤光栅调制解调设备，该设备采用窄带可调谐光源发出探测光入射到监测区域的光纤光栅传感器中，周期性地扫描光纤光栅的反射谱或透射谱，并解调光纤光栅传感器产生的波长信号。
进一步地，监控主机3为工业计算机，通过网口采用UDP协议与光纤光栅解调仪2进行通信。
进一步地，该***还包括远程监控中心5和扩展监控4，其中：
远程监控中心5，包括服务器、存储器以及防火墙，且设置有过山车轨道结构健康检测***软件，用于通过路由器和交换机与监控主机3进行信息交互，进行实时监控、统计分析以及事件报警的远程云服务；
扩展监控4，用于对所述服务器、存储器、交换机以及防火墙进行监控，维护远程云服务过程中的网络信息安全。
进一步地，所述过山车轨道结构健康检测***软件内置有特征数据库，特征数据库建立过程为：
通过对过山车轨道结构建模和动力仿真分析，找到过山车轨道结构中的重要位置和对应的动力参数，通过在重要位置设置对应的传感器来获取过山车轨道在正常运行状态下和不同故障下的参数，从而建立过山车轨道运行参数的特征数据库。
进一步地，所述过山车轨道结构健康检测***软件包括可视化模块、统计分析模块以及事件报警模块；其中可视化模块用于将接收到的传感器波长数据转化为物理量进行可视化显示；统计分析模块用于将传感器采集的历史数据进行管理，并进行统计分析，实现任意时间段传感器数据的查询；事件报警模块用于判断传感器数据是否偏离预设的阈值区间，若判断传感器数据偏离阈值区间，则将报警信息发送至管理员。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述的过山车轨道包括内轨和外轨，内轨和外轨之间连接有加劲肋，内轨和外轨与V型支撑斜杆连接固定，V型支撑斜杆下方固定于连接支座，连接支座固定于立柱，立柱通过立柱支座固定于地面；
***包括：
光纤光栅传感器模块，包括若干光纤光栅应变传感器和若干三维光纤光栅加速度传感器，设置于过山车轨道上；其中部分光纤光栅应变传感器设置于所述内轨和外轨的内侧，呈对向交替设置，用于实现轨道结构的应变状态检测；另一部分光纤光栅应变传感器设置于V行支撑斜杆的内侧的两侧，呈斜角对向设置，用于实现对V型支撑斜杆的应变状态检测；三维光纤光栅加速度传感器设置于过山车轨道拐弯处和受冲击较大区域的连接支座和立柱支座上，具体设置在连接支座顶部，位于与V型支撑斜杆连接的两个连接点之间的位置，以及立柱支座底部中心处；
光纤光栅解调仪，通过光纤光缆连接光纤光栅传感器模块，用于发出探测光入射到的光纤光栅传感器中，解调光纤光栅传感器产生的波长信号；
监控主机，设置有与光纤光栅解调仪适配的上位机软件，用于通过通信网络完成对光纤光栅传感器模块的驱动、控制光纤光栅解调仪的解调以及过山车轨道监控参数的获取。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器串联在一根传输光纤上；或者所述光纤光栅应变传感器和三维光纤加速度传感器通过熔接或快速接续器并接与多根传输光纤上，从而形成分布式光纤光栅传感器网络，完成对过山车轨道的多点监测。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器采用裸光纤光栅；所述三维光纤光栅加速度传感器采用竖向光纤光栅加速度传感器，竖向光纤光栅加速度传感器包括封装的光纤光栅、质量块和弹性体结构。
4.根据权利要求2所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器安装过程为：对过山车轨道上的光纤光栅应变传感器的安装点进行打磨，使用有机溶剂进行表面处理和清洗，使用胶水将光纤光栅应变传感器固定于该安装点。
5.根据权利要求2所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述三维光纤光栅加速度传感器底部设置有螺纹孔，三维光纤光栅加速度传感器安装过程为：使用螺栓通过三维光纤光栅加速度传感器底部的螺纹孔将三维光纤光栅加速度传感器固定于一连接块上，该连接块沿中心周向对称设置有多个螺纹孔，使用螺栓通过连接块的螺纹孔将连接块固定于一焊接块上，随后将焊接块与过山车轨道的支座焊接固定。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述光纤光栅解调仪为基于可调激光器的多通道高速光纤光栅调制解调设备，该设备采用窄带可调谐光源发出探测光入射到监测区域的光纤光栅传感器中，周期性地扫描光纤光栅的反射谱或透射谱，并解调光纤光栅传感器产生的波长信号。
7.根据权利要求1所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述监控主机为工业计算机，通过网口采用UDP协议与光纤光栅解调仪进行通信。
8.根据权利要求1所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：该***还包括远程监控中心和扩展监控，其中：
远程监控中心，包括服务器、存储器以及防火墙，且设置有过山车轨道结构健康检测***软件，用于通过路由器和交换机与监控主机进行信息交互，进行实时监控、统计分析以及事件报警的远程云服务；
扩展监控，用于对所述服务器、存储器、交换机以及防火墙进行监控，维护远程云服务过程中的网络信息安全。
9.根据权利要求8所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述过山车轨道结构健康检测***软件内置有特征数据库，特征数据库建立过程为：
通过对过山车轨道结构建模和动力仿真分析，找到过山车轨道结构中的重要位置和对应的动力参数，通过在重要位置设置对应的传感器来获取过山车轨道在正常运行状态下和不同故障下的参数，从而建立过山车轨道运行参数的特征数据库。
10.根据权利要求8所述的基于光纤传感的过山车轨道结构健康监测***，其特征在于：所述过山车轨道结构健康检测***软件包括可视化模块、统计分析模块以及事件报警模块；其中可视化模块用于将接收到的传感器波长数据转化为物理量进行可视化显示；统计分析模块用于将传感器采集的历史数据进行管理，并进行统计分析，实现任意时间段传感器数据的查询；事件报警模块用于判断传感器数据是否偏离预设的阈值区间，若判断传感器数据偏离阈值区间，则将报警信息发送至管理员。
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刘关四等: "载人设备结构应力状态光纤光栅监测***开发与应用", 《中国特种设备安全》, vol. 35, no. 05, 30 May 2019 (2019-05-30) *
刘忠胜等: "过山车动态仿真建模方法", 《冶金设备》 *
刘忠胜等: "过山车动态仿真建模方法", 《冶金设备》, 15 March 2009 (2009-03-15) *
刘渊等: "大型过山车健康管理方法的应用研究", 《机械工程学报》 *
刘渊等: "大型过山车健康管理方法的应用研究", 《机械工程学报》, no. 24, 20 December 2017 (2017-12-20) *
张勇等: "大型游乐设施运行状态测试***及关键技术研究", 《中国安全科学学报》 *
张勇等: "大型游乐设施运行状态测试***及关键技术研究", 《中国安全科学学报》, no. 12, 15 December 2008 (2008-12-15) *
曹子剑: "大型游乐设施的HAZOP与仿真分析研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *
曹子剑: "大型游乐设施的HAZOP与仿真分析研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》, no. 01, 15 January 2021 (2021-01-15) *
陈力等: "基于光纤传感技术的过山车疲劳寿命预测研究", 《中国特种设备安全》 *
陈力等: "基于光纤传感技术的过山车疲劳寿命预测研究", 《中国特种设备安全》, vol. 35, no. 08, 30 August 2019 (2019-08-30) *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114941995A (zh) * 2022-04-20 2022-08-26 中国矿业大学 基于分布式光纤应变测试的梁式桥钢结构变形监测***
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CN118225476A (zh) * 2024-05-24 2024-06-21 四川红孩儿游乐设备集团有限公司 一种过山车安全包络线的检测装置

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